8L5864型曲軸鐓鍛工藝設(shè)計(jì)研究

樊志江　孫丹鳳

(1.北京賽瑞斯國(guó)際工程咨詢有限公司，北京100070；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

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8L5864型曲軸鐓鍛工藝設(shè)計(jì)研究

樊志江1孫丹鳳2

(1.北京賽瑞斯國(guó)際工程咨詢有限公司，北京100070；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

摘要：介紹了在100 MN液壓機(jī)上采用TR鐓鍛法生產(chǎn)8L5864型曲軸的工藝設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)，以及模具的設(shè)計(jì)方法，有助于曲軸的鐓鍛成形。

關(guān)鍵詞：8L5864型曲軸；鐓鍛；工藝設(shè)計(jì)；模具

8L5864型曲軸主軸頸500 mm，中心錯(cuò)移值為320 mm，最大回轉(zhuǎn)半徑565 mm，在100 MN油壓機(jī)上采用TR法進(jìn)行模鍛，材料選用35CrMo。8L5864型曲軸三維模型如圖1所示。

圖1　8L5864曲軸三維模型Figure 1　3D model of 8L5864 type crankshaft

1鐓鍛工藝設(shè)計(jì)

1.1鐓鍛坯料確定

曲軸加工采用TR模鍛法，加工精度高，成品切削量小，考慮上、下、左、右四個(gè)方向的累計(jì)誤差，選取鍛造余量為10 mm，鍛造公差為軸向±3 mm ，徑向±5 mm。通過計(jì)算機(jī)三維模擬技術(shù)，精確計(jì)算后加工參數(shù)見表1。

另外，考慮到鐓鍛過程中的燃燒損耗等原因，選用坯料直徑500 mm，拐軸直徑470 mm，拐柄坯料長(zhǎng)696.5 mm，自由端坯料長(zhǎng)249.5 mm，法蘭端坯料長(zhǎng)544.7 mm，鍛件金屬燒損率選取0.05%。

表1　鐓鍛坯料加工參數(shù)Table 1　Machining parameters for upsetting blank

1.2工步設(shè)計(jì)及火次確定

1.2.1工步設(shè)計(jì)

第一工步：鐓鍛合模。該工步是為鐓鍛工步做定位準(zhǔn)備，工件加熱部位由模具限位，原材料外徑應(yīng)與模具尺寸保持一致。

第二工步：預(yù)鐓。要獲得拐柄外形，首先要將坯料進(jìn)行預(yù)鐓，以得到更大的徑向截面積。

第三工步：彎曲。為防止平衡塊塌角，預(yù)先將坯料預(yù)上彎，使上部坯料集中，然后下錯(cuò)拐軸頸得到指定的中心距。如圖2所示。

第四工步：終鐓成形。完全合模，軸向尺寸急劇縮小，坯料徑向擴(kuò)散，充滿整個(gè)型腔，得到所需要的形狀和尺寸。

圖2　曲軸預(yù)鐓彎曲示意圖Figure 2　Sketch of pre-upsetting process for crankshaft

1.2.2鐓鍛火次順序

TR法采用雙向鐓鍛，鐓鍛火次依序?yàn)?→4→6→3→7→2→8→1→自由端→法蘭。

1.3計(jì)算變形量和鐓鍛力

(1)變形量計(jì)算

拐柄：f0=πd2/4=3.14×5002/4=1.96×105mm2

f1=5.58×105mm2

鐓鍛比：k=f1/f0≈2.85

法蘭端：f0′=πd2/4=3.14×5002/4=1.96×105mm2

f1′=V/H=1.06×108/170=6.29×105mm2

鐓鍛比：k=f1′/f0′≈3.2

式中f0，f0′——變形前坯料截面積；

f1，f1′——變形后坯料截面積；

d——變形前坯料直徑；

V——坯料體積；

H——變形后坯料軸向長(zhǎng)度。

(2)鐓鍛力計(jì)算

初始鐓鍛力：P=pA=pF0=50×1.96×105=9.81×106N

拐柄最大鐓鍛力：P1=pA=pF1=50×5.58×105=2.79×107N

法蘭最大鐓鍛力：P2=pA=pF1′=50×6.29×105=3.14×107N

式中p——單位面積變形抗力，p=50 MPa。

圖3為曲軸鐓鍛過程的變形量和鐓鍛力時(shí)間曲線。

圖3　變形量與鐓鍛力隨時(shí)間變化曲線

2鐓鍛模具設(shè)計(jì)

全纖維曲軸彎曲鐓鍛一般是在液壓機(jī)上配備專用模具進(jìn)行生產(chǎn)，鐓鍛裝置通常左右各一套，而且以分模面為中心上下對(duì)稱排列，大致可以分為模座、模塊和沖頭三部分。圖4為100 MN液壓機(jī)配套下沖頭式樣。

圖4　曲軸鐓鍛模具下沖頭Figure 4　Lower punch of upsetting die for crankshaft

模座的上下兩個(gè)箱體相互間凹凸配合，內(nèi)設(shè)多個(gè)圓環(huán)狀模槽，用以排布不同的模塊。壓機(jī)工作時(shí)，模座將壓機(jī)垂直力轉(zhuǎn)變?yōu)樗搅?，并推?dòng)模塊一起運(yùn)動(dòng)。TR法是將活動(dòng)梁與上模座用肘桿連接起來，利用肘桿的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成水平鐓粗力。在鐓鍛過程中，隨著肘桿與豎直方向的夾角A的逐漸增大，水平鐓粗力不斷增大。

模塊按作用可以分為成型模塊、定位模塊和支撐塊。成型模塊放置于模座前側(cè)，主要用來限制鍛件金屬的流動(dòng)，能夠促進(jìn)成形；另外還提供鐓鍛中后期的水平鐓鍛力。定位模塊的作用是控制曲軸坯料的長(zhǎng)度和位置，從而控制單拐的坯料量和準(zhǔn)確入模，并提供鐓鍛初期的水平鐓粗力。

沖頭主要用來進(jìn)行彎曲錯(cuò)拐，并對(duì)曲柄平衡塊的形狀加以控制。

2.1模膛設(shè)計(jì)

模膛形狀與尺寸按鍛件圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，分模面選擇在截面最大尺寸處。

飛邊槽橋部寬度：b=(3～5)H=40 mm

模膛壁厚：S=(1～2)H

式中f1——變形后坯料軸向投影面積；

H——模膛深度；

鍛件收縮率取1.5%。

2.2模具材料及外形尺寸

熱模具材料選用5CrMnMo或3Cr2W8V，冷模具材料選用35CrMo或45。模具外形尺寸應(yīng)根據(jù)模箱內(nèi)腔進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3確定各火次工藝參數(shù)

(1)第1～8火次鐓鍛開檔尺寸1 709 mm，終鐓合模尺寸770 mm，錯(cuò)移中心距320 mm。

(2)自由端開檔尺寸775 mm，終鐓合模尺寸

400 mm，工藝余料尺寸300 mm。

(3)法蘭端終鐓開檔尺寸775 mm，終鐓合模尺寸400 mm。

2.4加熱溫度與潤(rùn)滑

坯料采用中頻加熱，加熱溫度為1 150～1 200℃。熱脫模劑選用水基石墨。

3結(jié)束語

大型全纖維曲軸的鍛造質(zhì)量受工藝和模具的影響很大，工藝不合理或模具尺寸偏差都會(huì)導(dǎo)致鍛造尺寸不精確，甚至無法成形。通過對(duì)8L5864曲軸鍛造工藝的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)制定以及模具設(shè)計(jì)，對(duì)大型曲軸的制造提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]張志文.鍛造工藝學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983: 5.

[2]萬煦義．大中型全纖維曲軸鍛造方法的探討．大型鑄鍛件，2006(3)：45-52.

編輯杜敏

Research on Upsetting Process Design of 8L5864 Type Crankshaft

Fan Zhijiang,Sun Danfeng

Abstract：The process design and process parameters of 8L5864 type crankshaft manufactured by means of upsetting process on 100 MN hydraulic press have been introduced,as well as the design method of die,so as to be contributed to the upset forging process of crankshaft.

Key words：8L5864 type crankshaft;upsetting;process design;die

收稿日期：2015—12—30

作者簡(jiǎn)介：樊志江(1982—)，機(jī)電工程師、注冊(cè)監(jiān)理工程師，從事大型全纖維曲軸鍛造研究和曲軸鐓鍛模具設(shè)計(jì)。電話：13820229968

中圖分類號(hào)：TG316

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B